חֲדָשׁוֹת

תוספים ותהליכי הדפסה בטמפרטורה נמוכה יכולים לשלב מכשירים אלקטרוניים צורכי חשמל וצריכת חשמל שונים על מצעים גמישים בעלות נמוכה. עם זאת, ייצור של מערכות אלקטרוניות שלמות ממכשירים אלה מצריך בדרך כלל התקנים אלקטרוניים כוח כדי להמיר בין מתחי הפעולה השונים של המכשירים. רכיבים פסיביים - משרנים, קבלים ונגדים - מבצעים פונקציות כגון סינון, אחסון אנרגיה לטווח קצר ומדידות מתח, שהן חיוניות באלקטרוניקה כוח וביישומים רבים אחרים. במאמר זה, אנו מציגים משרנים, קבלים, נגדים ומעגלי RLC מודפסים על גבי מצעי פלסטיק גמישים, ומדווחים על תהליך התכנון כדי למזער את ההתנגדות הסדרתית של משרנים, כך שניתן יהיה להשתמש בהם במכשירי חשמל. המשרן והנגד המודפסים משולבים לאחר מכן במעגל מווסת הדחיפה. ייצור של דיודות פולטות אור אורגניות וסוללות ליתיום-יון גמישות. ווסתי מתח משמשים להפעלת הדיודות מהסוללה, ומדגימים את הפוטנציאל של רכיבים פסיביים מודפסים להחליף רכיבים מסורתיים להרכבה על פני השטח ביישומי ממירי DC-DC.
בשנים האחרונות פותחה יישום של מכשירים גמישים שונים במוצרים אלקטרוניים לבישים ורחבי שטח ובאינטרנט של הדברים1,2. אלה כוללים התקני קצירת אנרגיה, כגון פוטו-וולטאיים 3, פיזואלקטריים 4 ו-תרמו-אלקטריים 5; התקני אחסון אנרגיה, כגון סוללות 6, 7; והתקנים צורכי חשמל, כגון חיישנים 8, 9, 10, 11, 12 ומקורות אור 13. למרות שהושגה התקדמות רבה במקורות אנרגיה בודדים ובעומסים, שילוב רכיבים אלה למערכת אלקטרונית שלמה מצריך בדרך כלל אלקטרוניקת הספק כדי להתגבר על כל חוסר התאמה בין התנהגות אספקת החשמל ודרישות העומס. לדוגמה, סוללה מייצרת מתח משתנה בהתאם למצב הטעינה שלה. אם העומס דורש מתח קבוע, או גבוה מהמתח שהסוללה יכולה ליצור, יש צורך במכשירי חשמל. .אלקטרוניקה כוח משתמשת ברכיבים אקטיביים (טרנזיסטורים) לביצוע פונקציות מיתוג ובקרה, כמו גם רכיבים פסיביים (משרנים, קבלים ונגדים). לדוגמה, במעגל ווסת מיתוג, משרן משמש לאגירת אנרגיה במהלך כל מחזור מיתוג , קבל משמש להפחתת אדוות המתח, ומדידת המתח הנדרשת לבקרת משוב נעשית באמצעות מחלק נגדים.
מכשירי כוח אלקטרוניים המתאימים למכשירים לבישים (כגון דופק אוקסימטר 9) דורשים מספר וולט וכמה מיליאמפר, פועלים בדרך כלל בטווח התדרים של מאות קילו-הרץ עד מספר מגה-הרץ, ודורשים השראות של מספר מיקרו-שעה וכמה מיקרו-שעה והקיבול μF הוא 14 בהתאמה. השיטה המסורתית לייצור מעגלים אלה היא הלחמת רכיבים נפרדים ללוח מעגלים מודפסים קשיחים (PCB). למרות שהרכיבים הפעילים של מעגלים אלקטרוניים כוח משולבים בדרך כלל למעגל משולב סיליקון יחיד (IC), רכיבים פסיביים הם בדרך כלל חיצוני, או שמאפשר מעגלים מותאמים אישית, או בגלל שההשראות והקיבול הנדרשים גדולים מכדי להיות מיושמים בסיליקון.
בהשוואה לטכנולוגיית הייצור המסורתית מבוססת PCB, לייצור מכשירים אלקטרוניים ומעגלים באמצעות תהליך הדפסה תוסף יש יתרונות רבים במונחים של פשטות ועלות. ראשית, מכיוון שרכיבים רבים של המעגל דורשים את אותם חומרים, כגון מתכות למגעים וחיבורים הדדיים, הדפסה מאפשרת לייצר רכיבים מרובים בו-זמנית, עם מעט שלבי עיבוד ופחות מקורות חומרים15. השימוש בתהליכים תוספים להחלפת תהליכי חיסור כגון פוטוליתוגרפיה ותחריט מפחית עוד יותר את מורכבות התהליך ואת בזבוז החומר16, 17, 18, ו-19. בנוסף, הטמפרטורות הנמוכות המשמשות בהדפסה תואמות מצעי פלסטיק גמישים וזולים, המאפשרים שימוש בתהליכי ייצור מהירים של גליל לגליל כדי לכסות מכשירים אלקטרוניים 16, 20 על פני שטחים גדולים. ליישומים שלא ניתן לממש במלואו עם רכיבים מודפסים, פותחו שיטות היברידיות שבהן רכיבי טכנולוגיית הרכבה משטחית (SMT) מחוברים למצעים גמישים 21, 22, 23 לצד הרכיבים המודפסים בטמפרטורות נמוכות. בגישה היברידית זו, זה עדיין הכרחי להחליף כמה שיותר רכיבי SMT עם עמיתים מודפסים כדי להשיג את היתרונות של תהליכים נוספים ולהגדיל את הגמישות הכוללת של המעגל. על מנת לממש אלקטרוניקת הספק גמישה, הצענו שילוב של רכיבים פעילים SMT ופסיביים מודפסים על מסך רכיבים, עם דגש מיוחד על החלפת משרני SMT מגושמים במשרני ספירלה מישוריים. בין הטכנולוגיות השונות לייצור אלקטרוניקה מודפסת, הדפסת מסך מתאימה במיוחד לרכיבים פסיביים בגלל עובי הסרט הגדול שלו (שדרוש כדי למזער את עמידות הסדרה של תכונות מתכת ) ומהירות הדפסה גבוהה, גם כאשר מכסים אזורים ברמת סנטימטר. הדבר נכון לפעמים. חומר 24.
יש למזער את האובדן של רכיבים פסיביים של ציוד אלקטרוני הספק, מכיוון שיעילות המעגל משפיעה ישירות על כמות האנרגיה הדרושה להנעת המערכת. זה מאתגר במיוחד עבור משרנים מודפסים המורכבים מסלילים ארוכים, ולכן רגישים לסדרות גבוהות התנגדות.לכן, למרות שנעשו מאמצים מסוימים כדי למזער את ההתנגדות 25, 26, 27, 28 של הסלילים המודפסים, עדיין קיים חוסר ברכיבים פסיביים מודפסים ביעילות גבוהה עבור מכשירים אלקטרוניים כוחניים. עד כה, רבים דיווחו על פסיביות מודפסות. רכיבים על מצעים גמישים מתוכננים לפעול במעגלי תהודה לזיהוי תדר רדיו (RFID) או למטרות קצירת אנרגיה 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. אחרים מתמקדים בפיתוח חומרים או תהליך ייצור ומציגים רכיבים גנריים 26, 32, 33, 34 שאינם מותאמים ליישומים ספציפיים. לעומת זאת, מעגלים אלקטרוניים של הספק כגון ווסתי מתח משתמשים לרוב ברכיבים גדולים יותר מהתקנים פסיביים מודפסים טיפוסיים ואינם דורשים תהודה, ולכן נדרשים עיצובים שונים של רכיבים.
כאן אנו מציגים את העיצוב והאופטימיזציה של משרנים מודפסים על מסך בטווח μH כדי להשיג את ההתנגדות הסדרתית הקטנה ביותר וביצועים גבוהים בתדרים הקשורים לאלקטרוניקה כוח. מיוצרים משרנים מודפסים על מסך, קבלים ונגדים עם ערכי רכיבים שונים על מצעי פלסטיק גמישים. התאמתם של רכיבים אלה למוצרים אלקטרוניים גמישים הוכחה לראשונה במעגל RLC פשוט. לאחר מכן משולבים המשרן והנגד המודפסים עם ה-IC כדי ליצור ווסת דחיפה. לבסוף, דיודה פולטת אור אורגנית (OLED ) וסוללת ליתיום-יון גמישה מיוצרים, ומשתמש בווסת מתח כדי להפעיל את ה-OLED מהסוללה.
על מנת לתכנן משרנים מודפסים עבור אלקטרוניקת הספק, חזינו תחילה את השראות והתנגדות DC של סדרה של גיאומטריות משרנים המבוססת על מודל הגיליון הנוכחי המוצע ב-Mohan et al. 35, ומייצרים משרנים של גיאומטריות שונות כדי לאשר את דיוק המודל. בעבודה זו, נבחרה צורה מעגלית עבור המשרן מכיוון שניתן להשיג השראות גבוהה יותר 36 עם התנגדות נמוכה יותר בהשוואה לגיאומטריה מצולעת. השפעת הדיו נקבעים סוג ומספר מחזורי הדפסה על התנגדות. לאחר מכן נעשה שימוש בתוצאות אלו עם מודל מד זרם לתכנון משרנים של 4.7 μH ו-7.8 μH המותאמים להתנגדות DC מינימלית.
ניתן לתאר את השראות והתנגדות DC של משרנים ספירליים על ידי מספר פרמטרים: קוטר חיצוני do, רוחב סיבוב w ומרווח s, מספר סיבובים n והתנגדות יריעת מוליכים Rsheet. איור 1a מציג תמונה של משרן עגול מודפס במסך משי. עם n = 12, מראה את הפרמטרים הגיאומטריים הקובעים את השראות שלו.לפי מודל מד הזרם של Mohan et al. 35, השראות מחושבת עבור סדרה של גיאומטריות משרן, שם
(א) צילום של המשרן המודפס על המסך המציג את הפרמטרים הגיאומטריים. הקוטר הוא 3 ס"מ. השראות (ב) והתנגדות DC (ג) של גיאומטריות משרן שונות. הקווים והסימנים תואמים לערכים מחושבים ונמדדים, בהתאמה. (ד,ה) התנגדויות ה-DC של משרנים L1 ו-L2 מודפסים במסך עם דיו כסף של Dupont 5028 ו-5064H, בהתאמה. (f,g) מיקרוגרפי SEM של הסרטים שהודפסו על ידי Dupont 5028 ו-5064H, בהתאמה.
בתדרים גבוהים, אפקט העור והקיבול הטפילי ישנו את ההתנגדות וההשראות של המשרן בהתאם לערך ה-DC שלו. המשרן צפוי לעבוד בתדר נמוך מספיק שהשפעות אלו יהיו זניחות, והמכשיר מתנהג כהשראות קבועה עם התנגדות קבועה בסדרה.לכן, בעבודה זו, ניתחנו את הקשר בין פרמטרים גיאומטריים, השראות והתנגדות DC, והשתמשנו בתוצאות כדי לקבל השראות נתונה עם התנגדות DC הקטנה ביותר.
השראות והתנגדות מחושבים עבור סדרה של פרמטרים גיאומטריים שניתן לממש על ידי הדפסת מסך, וצפוי שתיווצר השראות בטווח μH. הקטרים ​​החיצוניים של 3 ו-5 ס"מ, רוחבי הקו של 500 ו-1000 מיקרון , ומשווים סיבובים שונים. בחישוב, מניחים שהתנגדות היריעות היא 47 mΩ/□, התואמת לשכבת מוליך מיקרו פתית כסף של דופונט 5028 בעובי של 7 מיקרומטר המודפסת עם מסך 400 mesh והגדרה w = s. ערכי השראות והתנגדות מחושבים מוצגים באיור 1b ו-c, בהתאמה. המודל חוזה שגם השראות וגם התנגדות גדלים ככל שהקוטר החיצוני ומספר הסיבובים גדלים, או ככל שרוחב הקו יורד.
על מנת להעריך את הדיוק של תחזיות מודל, יוצרו משרנים בעלי גיאומטריות והשראות שונות על מצע פוליאתילן טרפתלט (PET). ערכי השראות וההתנגדות הנמדדים מוצגים באיור 1b ו-c. למרות שההתנגדות הראתה סטייה מסוימת מ הערך הצפוי, בעיקר עקב שינויים בעובי ובאחידות של הדיו שהופקד, השראות הראתה התאמה טובה מאוד עם הדגם.
ניתן להשתמש בתוצאות אלו לתכנון משרן עם השראות הנדרשת והתנגדות DC מינימלית. לדוגמה, נניח שנדרשת השראות של 2 μH. איור 1b מראה שניתן לממש השראות זו בקוטר חיצוני של 3 ס"מ, רוחב קו של 500 מיקרומטר, ו-10 סיבובים. אותה השראות יכולה להיווצר גם באמצעות קוטר חיצוני של 5 ס"מ, רוחב קו 500 מיקרומטר ו-5 סיבובים או 1000 מיקרומטר רוחב קו ו-7 סיבובים (כמתואר באיור). השוואת ההתנגדויות של שלושת אלו גיאומטריות אפשריות באיור 1c, ניתן למצוא שההתנגדות הנמוכה ביותר של משרן 5 ס"מ עם רוחב קו של 1000 מיקרומטר היא 34 Ω, שזה נמוך בכ-40% מהשניים האחרים. תהליך התכנון הכללי להשגת השראות נתונה עם התנגדות מינימלית מתמצת באופן הבא: ראשית, בחר את הקוטר החיצוני המרבי המותר בהתאם לאילוצי החלל המוטלים על ידי היישום. לאחר מכן, רוחב הקו צריך להיות גדול ככל האפשר תוך השגת השראות הנדרשת כדי להשיג קצב מילוי גבוה (משוואה (3)).
על ידי הגדלת העובי או שימוש בחומר עם מוליכות גבוהה יותר להפחתת התנגדות היריעות של סרט המתכת, ניתן להפחית עוד יותר את התנגדות ה-DC מבלי להשפיע על השראות.שני משרנים, שהפרמטרים הגיאומטריים שלהם ניתנים בטבלה 1, הנקראים L1 ו-L2, מיוצרים עם מספרים שונים של ציפויים כדי להעריך את השינוי בהתנגדות. ככל שמספר ציפויי הדיו גדל, ההתנגדות יורדת באופן פרופורציונלי כצפוי, כפי שמוצג באיורים 1d ו-e, שהם משרנים L1 ו-L2, בהתאמה. איורים 1d ו-e מראים כי על ידי מריחת 6 שכבות של ציפוי, ניתן להפחית את ההתנגדות עד פי 6, וההפחתה המקסימלית בהתנגדות (50-65%) מתרחשת בין שכבה 1 לשכבה 2. מאחר וכל שכבת דיו דקה יחסית, א מסך עם גודל רשת קטן יחסית (400 קווים לאינץ') משמש להדפסת משרנים אלו, מה שמאפשר לנו ללמוד את השפעת עובי המוליך על ההתנגדות. כל עוד תכונות הדפוס נשארות גדולות מהרזולוציה המינימלית של הרשת, ניתן להשיג עובי דומים (והתנגדות) מהר יותר על ידי הדפסת מספר קטן יותר של ציפויים עם גודל רשת גדול יותר. ניתן להשתמש בשיטה זו כדי להשיג את אותה התנגדות DC כמו המשרן 6-ציפוי הנדון כאן, אך עם מהירות ייצור גבוהה יותר.
איורים 1d ו-e גם מראים כי על ידי שימוש בדיו פתיתי כסף מוליך יותר DuPont 5064H, ההתנגדות מופחתת בפקטור של שניים. מצילומי המיקרו-SEM של הסרטים המודפסים עם שני הדיו (איור 1f, g), זה יכול להיות ראה שהמוליכות הנמוכה יותר של דיו 5028 נובעת מגודל החלקיקים הקטן יותר שלו ומנוכחות של חללים רבים בין החלקיקים בסרט המודפס. מצד שני, ל-5064H יש פתיתים גדולים יותר ומסודרים יותר, מה שגורם לו להתנהג קרוב יותר לתפזורת. כסף.למרות שהסרט המיוצר על ידי דיו זה דק יותר מהדיו 5028, עם שכבה בודדת של 4 מיקרומטר ו-6 שכבות של 22 מיקרומטר, העלייה במוליכות מספיקה כדי להפחית את ההתנגדות הכוללת.
לבסוף, למרות שההשראות (משוואה (1)) תלויה במספר הסיבובים (w + s), ההתנגדות (משוואה (5)) תלויה רק ​​ברוחב הקו w.לכן, על ידי הגדלת w ביחס ל-s, ההתנגדות ניתן לצמצם עוד יותר. שני המשרנים הנוספים L3 ו-L4 מתוכננים להיות בעלי w = 2s וקוטר חיצוני גדול, כפי שמוצג בטבלה 1. משרנים אלה מיוצרים עם 6 שכבות של ציפוי DuPont 5064H, כפי שהוצג קודם לכן, כדי לספק את הביצועים הגבוהים ביותר. השראות של L3 היא 4.720 ± 0.002 μH וההתנגדות היא 4.9 ± 0.1 Ω, בעוד שההשראות של L4 היא 7.839 ± 0.005 μH ו-6.9 ± 0.1 Ω, העומדים בהתאמה טובה עם המודל. עלייה בעובי, במוליכות וב-w/s, המשמעות היא שיחס L/R גדל ביותר מסדר גודל ביחס לערך באיור 1.
למרות שהתנגדות DC נמוכה מבטיחה, הערכת התאמתם של משרנים לציוד אלקטרוני מתח הפועל בטווח kHz-MHz דורשת אפיון בתדרי AC. איור 2א מציג את תלות התדר של ההתנגדות והתגובה של L3 ו-L4. לתדרים מתחת ל-10 מגה-הרץ. , ההתנגדות נשארת כמעט קבועה בערך ה-DC שלה, בעוד שהריאקטנס גדל באופן ליניארי עם התדר, מה שאומר שההשראות קבועה כצפוי.תדר התהודה העצמית מוגדרת כתדירות שבה העכבה משתנה מאינדוקטיבית לקיבולית, עם L3 הוא 35.6 ± 0.3 מגה-הרץ ו-L4 הוא 24.3 ± 0.6 מגה-הרץ. תלות התדר של גורם האיכות Q (שווה ל-ωL/R) מוצגת באיור 2b.L3 ו-L4 משיגים מקדמי איכות מקסימליים של 35 ± 1 ו-33 ± 1 בתדרים של 11 ו-16 מגה-הרץ, בהתאמה. השראות של מיקרו-שעה בודדים וה-Q הגבוה יחסית בתדרים מגה-הרץ הופכים את המשרנים הללו למספיקים כדי להחליף את המשרנים המסורתיים המורכבים על פני השטח בממירי DC-DC בעלי הספק נמוך.
ההתנגדות הנמדדת R והתגובה X (a) וגורם האיכות Q (b) של משרנים L3 ו-L4 קשורים לתדר.
על מנת למזער את טביעת הרגל הנדרשת עבור קיבול נתון, עדיף להשתמש בטכנולוגיית קבלים עם קיבול ספציפי גדול, השווה לקבוע הדיאלקטרי ε חלקי עובי הדיאלקטרי. בעבודה זו, בחרנו בריום טיטנאט מורכב כדיאלקטרי מכיוון שיש לו אפסילון גבוה יותר מאשר דיאלקטריים אורגניים אחרים המעובדים בתמיסה. השכבה הדיאלקטרית מודפסת על מסך בין שני מוליכים הכסף ליצירת מבנה מתכת-דיאלקטרי-מתכת. קבלים בגדלים שונים בסנטימטרים, כפי שמוצג באיור 3a , מיוצרים באמצעות שתיים או שלוש שכבות של דיו דיאלקטרי כדי לשמור על תפוקה טובה. איור 3b מציג מיקרוסקופ SEM בחתך רוחב של קבל מייצג עשוי משתי שכבות של דיאלקטרי, עם עובי דיאלקטרי כולל של 21 מיקרומטר. האלקטרודות העליונות והתחתונות הם חד-שכבתיים ושש-שכבתיים 5064H בהתאמה. חלקיקי בריום טיטנאט בגודל מיקרון נראים בתמונת SEM מכיוון שהאזורים הבהירים יותר מוקפים בחומר המקשר האורגני הכהה יותר. הדיו הדיאלקטרי מרטיב היטב את האלקטרודה התחתונה ויוצר ממשק ברור עם סרט מתכת מודפס, כפי שמוצג באיור בהגדלה גבוהה יותר.
(א) צילום של קבל עם חמישה אזורים שונים. (ב) מיקרוסקופ SEM חתך של קבל עם שתי שכבות של דיאלקטרי, המראה אלקטרודות דיאלקטריות בריום טיטנאט וכסף. (ג) קיבולים של קבלים עם 2 ו-3 בריום טיטנאט שכבות דיאלקטריות ואזורים שונים, נמדדים ב-1 מגה-הרץ.(ד) הקשר בין הקיבול, ESR וגורם ההפסד של קבל של 2.25 סמ"ר עם 2 שכבות של ציפויים דיאלקטריים ותדר.
הקיבול הוא פרופורציונלי לאזור הצפוי. כפי שמוצג באיור 3c, הקיבול הספציפי של הדיאלקטרי הדו-שכבתי הוא 0.53 nF/cm2, והקיבול הספציפי של הדיאלקטרי התלת-שכבתי הוא 0.33 nF/cm2. ערכים אלה תואמים לקבוע דיאלקטרי של 13. קיבול ומקדם פיזור (DF) נמדדו גם בתדרים שונים, כפי שמוצג באיור 3d, עבור קבל של 2.25 ס"מ עם שתי שכבות של דיאלקטרי. מצאנו שהקיבול שטוח יחסית בתחום התדרים המעניין, גדל ב-20% מ-1 ל-10 מגה-הרץ, בעוד באותו טווח, DF גדל מ-0.013 ל-0.023. מאחר שגורם הפיזור הוא היחס בין אובדן האנרגיה לאנרגיה האצורה בכל מחזור AC, DF של 0.02 פירושו ש-2% מהכוח המטופל על ידי הקבל נצרך. הפסד זה מתבטא בדרך כלל כהתנגדות הסדרה המקבילה תלוית תדר (ESR) בסדרה עם הקבל, השווה ל-DF/ωC. כפי שמוצג באיור 3d, עבור תדרים גדולים מ-1 MHz, ESR נמוך מ-1.5 Ω, ועבור תדרים גדולים מ-4 מגה-הרץ, ESR נמוך מ-0.5 Ω. למרות שמשתמשים בטכנולוגיית קבלים זו, הקבלים ברמת μF הנדרשים עבור ממירי DC-DC דורשים שטח גדול מאוד, אך ה-100 pF-nF טווח קיבול ואיבוד נמוך של קבלים אלה הופכים אותם למתאימים ליישומים אחרים, כגון מסננים ומעגלי תהודה. ניתן להשתמש בשיטות שונות להגדלת הקיבול. קבוע דיאלקטרי גבוה יותר מגדיל את הקיבול הספציפי 37; לדוגמה, ניתן להשיג זאת על ידי הגדלת הריכוז של חלקיקי בריום טיטנאט בדיו. ניתן להשתמש בעובי דיאלקטרי קטן יותר, אם כי הדבר מצריך אלקטרודה תחתונה עם חספוס נמוך יותר מאשר פתית כסף מודפס מסך. קבל דק יותר, חספוס נמוך יותר ניתן להפקיד שכבות ע"י הדפסת הזרקת דיו 31 או הדפסת גרבורה 10, אשר ניתן לשלב עם תהליך הדפסת מסך. לבסוף, ניתן לערום ולהדפיס ולחבר מספר רב של שכבות מתחלפות של מתכת ודיאלקטרי, ובכך להגדיל את הקיבול 34 ליחידת שטח .
מחלק מתח המורכב מזוג נגדים משמש בדרך כלל לביצוע מדידת מתח הנדרשת לבקרת משוב של ווסת מתח. עבור סוג זה של יישום, ההתנגדות של הנגד המודפס צריכה להיות בטווח kΩ-MΩ, וההבדל בין המכשירים קטנים. כאן, נמצא שהתנגדות הסדין של דיו פחמן מודפס מסך חד-שכבתי הייתה 900 Ω/□. מידע זה משמש לתכנון שני נגדים ליניאריים (R1 ו-R2) ונגד סרפנטין (R3) ) עם התנגדויות נומינליות של 10 kΩ, 100 kΩ ו-1.5 MΩ. ההתנגדות בין הערכים הנומינליים מושגת על ידי הדפסת שתיים או שלוש שכבות דיו, כפי שמוצג באיור 4, ותמונות של שלוש ההתנגדויות. 12 דוגמאות מכל סוג; בכל המקרים, סטיית התקן של ההתנגדות היא 10% או פחות. שינוי ההתנגדות של דגימות עם שתיים או שלוש שכבות ציפוי נוטה להיות מעט יותר מזה של דגימות עם שכבת ציפוי אחת. השינוי הקטן בהתנגדות הנמדדת וההסכמה הקרובה עם הערך הנומינלי מצביעות על כך שניתן להשיג התנגדויות אחרות בטווח זה ישירות על ידי שינוי גיאומטריית הנגד.
שלוש גיאומטריות נגדים שונות עם מספרים שונים של ציפויי דיו עמידים לפחמן. התמונה של שלושה נגדים מוצגת בצד ימין.
מעגלי RLC הם דוגמאות קלאסיות של ספרי לימוד לשילובי נגד, משרן וקבלים המשמשים כדי להדגים ולאמת את ההתנהגות של רכיבים פסיביים המשולבים במעגלים מודפסים אמיתיים. במעגל זה, משרן 8 μH וקבל 0.8 nF מחוברים בסדרה, ו נגד 25 kΩ מחובר במקביל אליהם. התמונה של המעגל הגמיש מוצגת באיור 5a. הסיבה לבחירה בשילוב סדרתי-מקביל מיוחד זה היא שהתנהגותו נקבעת על ידי כל אחד משלושת מרכיבי התדר השונים, כך שה ניתן להדגיש ולהעריך את הביצועים של כל רכיב. בהתחשב בהתנגדות מסדרת 7 Ω של המשרן ו- 1.3 Ω ESR של הקבל, חושבה תגובת התדר הצפויה של המעגל. דיאגרמת המעגלים מוצגת באיור 5b, והחישוב משרעת עכבה ופאזה וערכים נמדדים מוצגים באיורים 5c ו-d. בתדרים נמוכים, העכבה הגבוהה של הקבל פירושה שהתנהגות המעגל נקבעת על ידי הנגד 25 kΩ. ככל שהתדר גדל, העכבה של נתיב LC פוחת; כל התנהגות המעגל היא קיבולית עד שתדר התהודה הוא 2.0 מגה-הרץ. מעל תדר התהודה, העכבה האינדוקטיבית שולטת. איור 5 מראה בבירור את ההסכמה המצוינת בין ערכים מחושבים ונמדדים על פני כל טווח התדרים. המשמעות היא שהמודל בו נעשה שימוש כאן (כאשר משרנים וקבלים הם רכיבים אידיאליים עם התנגדות סדרתית) הוא מדויק לניבוי התנהגות מעגל בתדרים אלה.
(א) צילום של מעגל RLC מודפס מסך המשתמש בשילוב סדרתי של משרן 8 μH וקבל 0.8 nF במקביל לנגד 25 kΩ.(ב) דגם מעגל כולל התנגדות סדרתית של משרן וקבל.(ג) ,ד) משרעת העכבה (c) והפאזה (d) של המעגל.
לבסוף, משרנים ונגדים מודפסים מיושמים בווסת החיזוק. ה-IC המשמש בהדגמה זו הוא Microchip MCP1640B14, שהוא וסת חיזוק סינכרוני מבוסס PWM עם תדר פעולה של 500 קילו-הרץ. דיאגרמת המעגלים מוצגת באיור 6a.A משרן 4.7 μH ושני קבלים (4.7 μF ו- 10 μF) משמשים כאלמנטים לאחסון אנרגיה, וזוג נגדים משמשים למדידת מתח המוצא של בקרת המשוב. בחר את ערך ההתנגדות כדי להתאים את מתח המוצא ל-5 V. המעגל מיוצר על גבי ה-PCB, וביצועיו נמדדים בתוך התנגדות העומס וטווח מתח הכניסה של 3 עד 4 וולט כדי לדמות את סוללת הליתיום-יון במצבי טעינה שונים. היעילות של משרנים ונגדים מודפסים מושווה עם יעילות של משרני SMT ונגדים. קבלי SMT משמשים בכל המקרים מכיוון שהקיבול הנדרש ליישום זה גדול מכדי להשלים אותו עם קבלים מודפסים.
(א) תרשים של מעגל מייצב מתח.(b–d) (ב) Vout, (c) Vsw, ו-(ד) צורות גל של זרם זורם לתוך המשרן, מתח הכניסה הוא 4.0 V, התנגדות העומס היא 1 kΩ, והמשרן המודפס משמש למדידה. נגדים וקבלים לתלייה עיליים משמשים למדידה זו. (ה) עבור התנגדויות עומס ומתחי כניסה שונים, היעילות של מעגלי מווסת מתח המשתמשים בכל רכיבי הרכבה על פני השטח ומשרנים ונגדים מודפסים.(ו) ) יחס היעילות של הרכבה על פני השטח והמעגל המודפס המוצג ב-(e).
עבור מתח כניסה 4.0 וולט והתנגדות עומס של 1000 Ω, צורות הגל הנמדדות באמצעות משרנים מודפסים מוצגות באיור 6b-d. איור 6c מציג את המתח במסוף Vsw של ה-IC; מתח המשרן הוא Vin-Vsw. איור 6d מציג את הזרם הזורם לתוך המשרן. היעילות של המעגל עם SMT ורכיבים מודפסים מוצגת באיור 6e כפונקציה של מתח הכניסה והתנגדות העומס, ואיור 6f מציג את יחס היעילות של רכיבים מודפסים לרכיבי SMT. היעילות הנמדדת באמצעות רכיבי SMT דומה לערך הצפוי שניתן בדף הנתונים של היצרן 14. בזרם כניסה גבוה (התנגדות לעומס נמוך ומתח כניסה נמוך), היעילות של משרנים מודפסים נמוכה משמעותית מאשר זה של משרני SMT עקב ההתנגדות הסדרתית הגבוהה יותר. עם זאת, עם מתח כניסה גבוה יותר וזרם מוצא גבוה יותר, אובדן ההתנגדות הופך פחות חשוב, והביצועים של משרנים מודפסים מתחילים להתקרב לאלו של משרני SMT. עבור התנגדויות עומס >500 Ω ו-Vin = 4.0 V או > 750 Ω ו-Vin = 3.5 V, היעילות של משרנים מודפסים גדולה מ-85% ממשרני SMT.
השוואת צורת הגל הנוכחית באיור 6d עם אובדן ההספק הנמדד מראה שאובדן ההתנגדות במשרן הוא הגורם העיקרי להבדל ביעילות בין המעגל המודפס למעגל ה-SMT, כצפוי. הספק הכניסה והמוצא נמדד ב-4.0 V מתח הכניסה והתנגדות העומס של 1000 Ω הם 30.4 mW ו- 25.8 mW עבור מעגלים עם רכיבי SMT, ו-33.1 mW ו- 25.2 mW עבור מעגלים עם רכיבים מודפסים. לפיכך, אובדן המעגל המודפס הוא 7.9 mW, שהוא גבוה ב-3.4 mW מ- מעגל עם רכיבי SMT. זרם המשרן RMS המחושב מצורת הגל באיור 6d הוא 25.6 mA. מכיוון שההתנגדות הסדרתית שלו היא 4.9 Ω, אובדן ההספק הצפוי הוא 3.2 mW. זהו 96% מהפרש ההספק הנמדד של 3.4 mW DC. בנוסף, המעגל מיוצר עם משרנים מודפסים ונגדים מודפסים ומשרנים מודפסים ונגדי SMT, ו לא נצפה הבדל משמעותי ביעילות ביניהם.
לאחר מכן מיוצר וסת המתח על גבי ה-PCB הגמיש (ביצועי ההדפסה של המעגל ורכיבי ה-SMT מוצגים באיור משלים S1) ומחובר בין סוללת הליתיום-יון הגמישה כמקור הכוח לבין מערך ה-OLED כעומס. לפי לוצ'נר וחב'. 9 לייצור OLED, כל פיקסל OLED צורך 0.6 mA ב-5 V. הסוללה משתמשת בתחמוצת ליתיום קובלט ובגרפיט כקתודה ואנודה, בהתאמה, והיא מיוצרת על ידי ציפוי דוקטור, שהיא שיטת הדפסת הסוללות הנפוצה ביותר.7 קיבולת הסוללה היא 16mAh, והמתח במהלך הבדיקה הוא 4.0V. איור 7 מציג צילום של המעגל על ​​גבי ה-PCB הגמיש, מפעיל שלושה פיקסלים OLED המחוברים במקביל. ההדגמה הדגימה את הפוטנציאל של רכיבי חשמל מודפסים להשתלב עם אחרים מכשירים גמישים ואורגניים ליצירת מערכות אלקטרוניות מורכבות יותר.
צילום של מעגל ווסת המתח על גבי PCB גמיש באמצעות משרנים ונגדים מודפסים, תוך שימוש בסוללות ליתיום-יון גמישות להפעלת שלוש נוריות LED אורגניות.
הצגנו משרנים, קבלים ונגדים מודפסים במסך עם מגוון ערכים על מצעי PET גמישים, במטרה להחליף רכיבי הרכבה על פני השטח בציוד אלקטרוני כוח. הראינו כי על ידי תכנון ספירלה בקוטר גדול, קצב מילוי , ויחס רוחב קו-מרחב רוחב, ועל ידי שימוש בשכבה עבה של דיו בעל התנגדות נמוכה. רכיבים אלה משולבים במעגל RLC מודפס וגמיש לחלוטין ומפגינים התנהגות חשמלית צפויה בטווח התדרים kHz-MHz, שהוא הגדול ביותר עניין לאלקטרוניקה.
מקרי שימוש אופייניים למכשירי חשמל מודפסים הם מערכות אלקטרוניות גמישות לבישות או משולבות במוצר, המופעלות על ידי סוללות נטענות גמישות (כגון ליתיום-יון), שיכולות ליצור מתחים משתנים בהתאם למצב הטעינה. אם העומס (כולל הדפסה ו ציוד אלקטרוני אורגני) דורש מתח קבוע או גבוה יותר מתפוקת המתח מהסוללה, נדרש וסת מתח. מסיבה זו, משרנים ונגדים מודפסים משולבים עם IC סיליקון מסורתיים לתוך ווסת דחיפה כדי להפעיל את ה-OLED עם מתח קבוע של 5 וולט מאספקת מתח סוללה במתח משתנה.בטווח מסוים של זרם עומס ומתח כניסה, היעילות של מעגל זה עולה על 85% מהיעילות של מעגל בקרה באמצעות משרנים ונגדים להרכבה על פני השטח. למרות אופטימיזציות חומריות וגיאומטריות, הפסדי התנגדות במשרן הם עדיין הגורם המגביל לביצועי המעגל ברמות זרם גבוהות (זרם כניסה גדול מכ-10 mA). עם זאת, בזרמים נמוכים יותר, ההפסדים במשרן מצטמצמים, והביצועים הכוללים מוגבלים על ידי היעילות של ה-IC. מאחר ומכשירים מודפסים ואורגניים רבים דורשים זרמים נמוכים יחסית, כגון OLEDs הקטנים המשמשים בהדגמה שלנו, ניתן להתייחס למשרני כוח מודפסים כמתאימים ליישומים כאלה. על ידי שימוש ב-ICs שנועדו לקבל את היעילות הגבוהה ביותר ברמות זרם נמוכות יותר, ניתן להשיג יעילות כללית גבוהה יותר של הממיר.
בעבודה זו, ווסת המתח בנוי על ה-PCB המסורתי, PCB גמיש וטכנולוגיית הלחמת רכיבים על פני השטח, בעוד שהרכיב המודפס מיוצר על מצע נפרד. עם זאת, הדיו בטמפרטורה נמוכה ובצמיגות גבוהה המשמשים לייצור מסך- סרטים מודפסים אמורים לאפשר הדפסה של רכיבים פסיביים, כמו גם את החיבור בין המכשיר לבין רפידות המגע של רכיבי הרכבה על פני השטח, על כל מצע. זה, בשילוב עם השימוש בדבקים מוליכים קיימים בטמפרטורה נמוכה עבור רכיבי הרכבה על פני השטח, יאפשרו המעגל כולו שייבנה על מצעים זולים (כגון PET) ללא צורך בתהליכי חיסור כגון תחריט PCB. לכן, הרכיבים הפסיביים המודפסים על המסך שפותחו בעבודה זו עוזרים לסלול את הדרך למערכות אלקטרוניות גמישות המשלבות אנרגיה ועומסים עם אלקטרוניקה בעלת ביצועים גבוהים, תוך שימוש במצעים זולים, בעיקר תהליכים תוספים ומספר מינימלי של רכיבי הרכבה על פני השטח.
באמצעות מדפסת מסך Asys ASP01M ומסך נירוסטה שסופק על ידי Dynamesh Inc., כל שכבות הרכיבים הפסיביים הודפסו על גבי מצע PET גמיש בעובי של 76 מיקרומטר. גודל הרשת של שכבת המתכת הוא 400 שורות לאינץ' ו-250 קווים לאינץ' עבור השכבה הדיאלקטרית ושכבת ההתנגדות. השתמש בכוח מגב של 55 N, מהירות הדפסה של 60 מ"מ/שנייה, מרחק שבירה של 1.5 מ"מ, ומגב Serilor עם קשיות של 65 (למתכת והתנגדות שכבות) או 75 (עבור שכבות דיאלקטריות) להדפסת מסך.
השכבות המוליכות - המשרנים והמגעים של קבלים ונגדים - מודפסות עם דיו מיקרופליק כסף DuPont 5082 או DuPont 5064H. הנגד מודפס עם מוליך פחמן DuPont 7082. עבור הדיאלקטרי הקבלים, התרכובת המוליך BT-101 titanate dilect barium נעשה שימוש. כל שכבה של דיאלקטרי מיוצרת באמצעות מחזור הדפסה דו-מעבר (רטוב-רטוב) כדי לשפר את אחידות הסרט. עבור כל רכיב, נבדקה ההשפעה של מחזורי הדפסה מרובים על ביצועי הרכיבים והשונות. דגימות שנעשו עם ציפויים מרובים מאותו חומר יובשו ב-70 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות בין ציפוי לציפוי. לאחר מריחת השכבה האחרונה של כל חומר, הדוגמאות נאפו ב-140 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות כדי להבטיח ייבוש מלא. פונקציית היישור האוטומטית של המסך המדפסת משמשת ליישור השכבות הבאות. המגע עם מרכז המשרן מושג על ידי חיתוך חור דרך על הכרית המרכזית ועקבות הדפסת סטנסיל בגב המצע עם דיו DuPont 5064H. החיבור בין ציוד ההדפסה משתמש גם ב-Dupont הדפסת סטנסיל 5064H. על מנת להציג את הרכיבים המודפסים ורכיבי ה-SMT על גבי ה-PCB הגמיש המוצג באיור 7, הרכיבים המודפסים מחוברים באמצעות אפוקסי מוליך של Circuit Works CW2400, ורכיבי SMT מחוברים בהלחמה מסורתית.
תחמוצת ליתיום קובלט (LCO) ואלקטרודות על בסיס גרפיט משמשות כקתודה ואנודה של הסוללה, בהתאמה. תרחיץ הקתודה הוא תערובת של 80% LCO (MTI Corp.), 7.5% גרפיט (KS6, Timcal), 2.5 % פחמן שחור (Super P, Timcal) ו-10% פוליווינילידן פלואוריד (PVDF, Kureha Corp.). ) האנודה היא תערובת של 84wt% גרפיט, 4wt% פחמן שחור ו-13wt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP, Sigma Aldrich) משמש להמסת חומרי ה-PVDF ולפיזור ה- PVDF. ערבוב עם מערבל מערבולת למשך הלילה. נייר נירוסטה בעובי 0.0005 אינץ' ורדיד ניקל 10 מיקרומטר משמשים כקולטי זרם עבור הקתודה והאנודה, בהתאמה. הדיו מודפס על קולט הזרם עם מגב במהירות הדפסה של 20 מ"מ/שניה. מחממים את האלקטרודה בתנור ב-80 מעלות צלזיוס למשך שעתיים להסרת הממס. גובה האלקטרודה לאחר הייבוש הוא כ-60 מיקרומטר, ובהתבסס על משקל החומר הפעיל, הקיבולת התיאורטית היא 1.65 מיליאמפר / שעה. /cm2. האלקטרודות נחתכו לממדים של 1.3 × 1.3 cm2 וחוממו בתנור ואקום ב-140 מעלות צלזיוס למשך הלילה, ולאחר מכן הן נאטמו בשקיות למינציה אלומיניום בתיבת כפפות מלאת חנקן. תמיסה של סרט בסיס פוליפרופילן עם אנודה וקתודה ו-1M LiPF6 ב-EC/DEC (1:1) משמשים כאלקטרוליט הסוללה.
OLED ירוק מורכב מפולי(9,9-דיוקטילפלואורן-קו-נ-(4-בוטילפניל)-דיפנילאמין) (TFB) ופולי((9,9-דיוקטילפלואורן-2,7-(2,1,3-בנזותיאדיאזול- 4, 8-diyl)) (F8BT) לפי הנוהל המתואר ב-Lochner et al.
השתמש בפרופילי חרט Dektak למדידת עובי הסרט. הסרט נחתך כדי להכין דגימת חתך לחקירה על ידי סריקת מיקרוסקופיה אלקטרונית (SEM). אקדח פליטת השדה 3D FEI Quanta (FEG) SEM משמש לאפיון המבנה של המודפס סרט ולאשר את מדידת העובי. מחקר SEM נערך במתח מואץ של 20 keV ומרחק עבודה טיפוסי של 10 מ"מ.
השתמש במולטימטר דיגיטלי למדידת התנגדות DC, מתח וזרם. עכבת AC של משרנים, קבלים ומעגלים נמדדת באמצעות מד Agilent E4980 LCR עבור תדרים מתחת ל-1 MHz ומנתח רשת Agilent E5061A משמש למדידת תדרים מעל 500 קילו-הרץ. אוסילוסקופ Tektronix TDS 5034 למדידת צורת הגל של ווסת המתח.
כיצד לצטט מאמר זה: Ostfeld, AE, וכו'. רכיבים פסיביים להדפסת מסך לציוד אלקטרוני להספק גמיש. מדע. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al. אלקטרוניקה גמישה: הפלטפורמה הבאה בכל מקום. תהליך IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: מקום שבו קבוצות פוגשות בני אדם. מאמר שפורסם בכנס ובתערוכה האירופית 2015 בנושא עיצוב, אוטומציה ובדיקה, גרנובל, צרפת. סן חוזה, קליפורניה: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 במרץ- 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC מודפסים התקני קציר אנרגיה פיזואלקטריים.חומרי אנרגיה מתקדמים.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW מחולל אנרגיה תרמו-אלקטרי עם סרט עבה שטוח מודפס.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL סוללה מודפסת גמישה עם פוטנציאל גבוה המשמשת להפעלת מכשירים אלקטרוניים מודפסים. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA הפיתוחים האחרונים בסוללות גמישות מודפסות: אתגרים מכניים, טכנולוגיית הדפסה ואפשרויות עתידיות. טכנולוגיית אנרגיה.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. וכו' מערכת חישה בקנה מידה גדול המשלבת מכשירים אלקטרוניים בשטח גדול ו-CMOS ICs לניטור בריאות מבני.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).